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(一)操作系统-概述

发表于 2021-04-19 | 分类于 操作系统 | 0

操作系统的组成

计算机系统由硬件和软件两部分组成

  • 硬件部分:指其物理装置本身,包括各种处理器(如中央处理器、输入输出处理器和该系统中的其他处理器)、存储器、输入输出设备和通信装置;
  • 软件部分:指由计算机硬件执行以完成一定任务的所有程序及其数据。

层次结构关系

软硬件及软件各部分之间,是一种层次结构的关系,硬件与软件是互相依赖、互相促进的。

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层次结构说明

  • 底层是硬件
    • 最底层是物理设备
    • 其次是直接控制设备并向上一层提供更清晰的接口的很原始的软件——微程序
    • 由微程序解释执行的一套指令集称为机器语言
  • 系统软件
    • 操作系统:隐藏复杂性,受硬件保护而免遭用户篡改;

      操作系统是最基本的系统软件,它控制计算机的所有资源并提供应用程序开发的
      基础。

    • 其他系统软件:这些程序本身并不是操作系统的部分

  • 应用软件
    • 实现用户所需要的功能

计算机的硬件组织

冯·诺伊曼结构

  • 主机部分:运算器、存储器、控制器
  • 外设部分:输入设备、输出设备

冯·诺伊曼结构结构隐约指导了将存储设备与中央处理器分开的概念,因此依本结构设计出的计算机又称存储程序计算机。

存储程序式计算机

  • 必须有运算器,用以执行指定的操作;
  • 有存储器,用来存储程序和数据;
  • 有控制部件,以便实现自动操作;
  • 有I/O部件,以便输入原始数据和输出计算结果

什么是操作系统

概念

操作系统是一个大型的程序系统,负责计算机的全部软、硬资源的分配、调度工作,控制和协调并发活动,实现信息的存取和保护;

提供用户接口,使用户获得良好的工作环境,操作系统使整个计算机系统实现了高效率、高度自动化、高利用率和高可靠性。

发展阶段

  1. 第一代计算机:手工操作阶段(无操作系统)

    特点:主要元件是电子管,运算速度较慢,由主机(运控部件、主存)、输入设备(如纸带输入机、卡片阅读机)、输出设备(如打印机)和控制台组成

    缺点:人机矛盾的严重性(操作时间与运行时间的比例)

  2. 第二代计算机:批处理(早期)、执行系统

  3. 第三代计算机:操作系统形成—批处理操作系统、分时操作系统

  4. 第四代计算机:个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统

手工操作阶段

第一代计算机,主要元件是电子管,运算速度较慢,由主机(运控部件、主存)、输入设备(如纸带输入机、卡片阅读机)、输出设备(如打印机)和控制台组成;

这种情况下,用户一个挨一个地轮流使用计算机,每个用户的使用过程大致如下:

  • 把程序纸带(或卡片)装上输入机;
  • 经手工操作把程序和数据输入计算机;
  • 通过控制台开关启动程序运行;
  • 计算完毕,用户拿走打印结果,并卸下纸带(或卡片)。

缺点:人机矛盾的严重性(操作时间与运行时间的比例)

早期的批处理系统

2

多道程序设计

概念

把一个以上的作业存放在主存中,并且同时处于运行状态,这些作业共享处理器时间和外部设备等其他资源。

根本目的:提高CPU的利用率,充分发挥并行性

多道程序运行的特征:

多道:即计算机主存中同时存放几道相互独立的程序;
宏观上并行:它们先后开始了各自的运行,但都未运行完毕;
微观上串行:轮流或分时地占有处理机,交替执行。

多道程序工作示例

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操作系统的功能

用户和计算机之间的接口

计算机系统资源的管理者

  • 处理器管理
  • 存储器管理
  • 输入输出设备管理
  • 信息管理

操作系统的特性

并行性:指能处理多个并发活动的能力;

共享性:指多个计算任务对资源的共同享用(多个用户共享一个程序的同一副本,而不是分别向每个用户提供一个副本);

虚拟性:虚拟设备的引入提高了设备资源的利用率

异步性:多个进程并发执行、走走停停

操作系统的类型

  • 多道批处理操作系统
  • 分时系统
  • 实时系统
  • 网络操作系统
  • 分布式系统
  • 多处理操作系统

分时技术

  • 把处理器时间划分成很短的时间片(如几百毫秒)轮流地分配给各个联机作业使用,如果某个作业在分配的时间片用完之前计算还未完成,该作业就暂时中断,等待下一轮继续计算。此时处理机让给另一个作业使用,这样,每个用户的各次要求都能得到快速响应,给每个用户的印象是:独占一台计算机。
  • 分时:多个用户分享使用同一台计算机,也就是把计算机的系统资源进行时间上的分割,从而将CPU工作时间分别提供给多个用户使用,每个用户依次轮流地使用时间片。

分时系统

特征

  • 多路性:众多联机用户同时使用一台计算机
  • 交互性
  • 独占性

主要目的

  • 及时地响应和服务于联机用户

实时系统

“实时”,对发生的外部事件做出及时的响应并对其进行处理,在严格规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作。

包括实时过程控制和实时信息处理两种系统。

追求的目标:对外部请求在严格的时间范围内做出反应,具有高可靠性。

实时操作系统应具有:实时时钟管理、过载保护、高可靠性和安全性。

网络操作系统

除了应具有通常操作系统应具有的:处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理

还应具有以下两大功能:

  1. 提供高效、可靠的网络通信能力
  2. 提供多种网络服务功能
    (通信接口中断处理程序、通信控制程序以及各层网络协议软件)

在网络操作系统中,用户知道多台计算机的存在,能登录到一台远程机器上并将文件从一台机器拷贝到另一台机器上,每台计算机都运行自己本地的操作系统,有自己的本地用户;

分布式操作系统

  • 由一群分离的计算机通过网络相连接的多机系统;
  • 每个计算机有自己的主存、辅存和I/O设备。

分布式操作系统在用户看来就像一个传统的单处理器系统,尽管它实际上由多个处理器组成。分布式系统中,用户不会感知到他们的程序在哪个处理器上运行,或者他们的文件存放在哪里,所有这些都是由操作系统自行高效地完成。

多处理操作系统

优点:

  • 可靠性
  • 高度平行性
  • 多重处理可增强单处理器系统的计算能力,而又不必显著增加费用、价格;
  • 在计算机系统中,多重处理系统提供了重要的灵活性,因为多重处理系统的模块化设
    计,使系统在需要时可十分容易地通过添加处理器使系统能力得到扩充。

多处理器系统的两种模式:

  1. 对称多处理系统SMP:由两个或两个以上的处理器共享主存、I/O设备,这些处理器用总线或者其他内部连接模式相连接。
  2. 非对称多处理模式AM:主从模式,主处理器只有一个,配置操作系统,从处理器可有多个。

对称式多机系统

系统中有多个处理器,所有的处理器处于同等地位;

  • 每个处理器都可以运行操作系统和内核程序处理中断、调度进程或线程等;
  • 每个处理器都同样可以控制I/O设备和系统中其他资源。

系统中所有处理器共享主存储器,没有自己私用的主存储器。

主从式多机系统

只有主处理器可运行操作系统、接收设备中断,进行I/O操作,执行内核代码;而从处理器仅可执行用户程序。

缺点:

  • 主处理器负载过重;
  • 主处理器故障将引起整个系统故障,可靠性差;
  • 一般从处理器的利用率不高。
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  • 本文作者: 精 灵 王
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